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Verfahren zur Leistungsregelung von Wärmekraftanlagen und Einrichtung
zur Ausführung dieses Verfahrens Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Leistungsregelung
von Wärmekraftanlagen, in denen. mindestens der größere Teil eines gasförmigen Treibmittels
einen Kreislauf beschreibt, wobei es in mindestens einem Verdichter auf höheren
Druck gebracht, dann durch Wärmezufuhr von außen erhitzt und hierauf in mindestens
einer Leistung abgebenden Maschine entspannt wird und ferner Änderungen in der Leistungsabgabe
der Anlage .durch Änderung des Druckniveaus im Kreislauf erzeugt werden. Im weiteren
betrifft die Erfindung eine Einrichtung zur Ausführung dieses Verfahrens.
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Eine Erhöhung derLeistungserzeugung einerAnlage der erwähnten Art,
beispielsweise von Teillast auf Vollast, erfordert eine Zufuhr von Arbeitsmittel
in den Kreislauf, sei es aus einem Arbeitsmittelspeicher oder, falls das Arbeitsmittel
Luft ist, durch Verdichtung von der Atmosphäre entnommener Luft vermittels eines
Hilfsverdichters auf mindestens den. Druck an der Einführstelle.
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Man hat aus wirtschaftlichen Gründen ein Interesse daran, einen Arbeitsmittelspeicher
möglichst niederen Druckes verwenden zu können oder doch das zuzuführende
Arbeitsmittel nur wenig komprimieren zu müssen. Es ist daher schon vorgeschlagen
worden, das Arbeitsmittel .dem Kreislauf niederdruckseitig, d. h. an einer Stelle,
die z. B. zwischen dem Austritt einer Turbine und dem Eintritt .des Verdichters
liegt, zuzuführen. Da aber die gleichmäßige Hebung des Druckniveaus im Kreislauf
auch
eine Vermehrung des, in .dessen. Hochdruckteil enthaltenen Arbeitsmittelgewichtes
bedingt, übernimmt bei niederdrwckseitiger Zufuhr desArbeitsmittels derKreislaufverdichter
selbst die Verdichtung jenes Anteils des zugeführten Arbeitsmittels, der in den
Hochdruckteil des Kreislaufs gehört. Die Leistumgsaufnalime des Verdichters erhöht
sich damit vorübergehend, auf Kosten der Nutzleistungsabgabe.
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In den Fällen, wo eine sofort reagierende Anpassung der Anlage an
Schwänkungen :der Belastung der Anlage, wie etwa bei der Frequenzregelung eines
Kraftnetzes zu erfolgen hat, ist im allgemeinen diese Regelungsart ungeeignet wegen
der vorübergehend mit :dem Arbeitsmitteleinlaß verbundenen Verminderung der Nutzleistungsabgabe.
Da aber die Leistungsverminderung nur verhältnismäßig sehr kurze Zeit dauert,
ist sie in all den Fällen bis zu einem gewissen Grade zulässig, wo nicht allzu scharfe
Bedingungen an Drehzahlhaltung gestellt werden, wie etwa beim Antrieb: eines Fahrzeuges,
eines Schiffes oder auch eines Verdichters.
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Immerhin stellen sich. auch hier dem Einlaß des Arbeitsmittels gewisse
Grenzen. Da die-. Kompressionsarbeit des in, den Hochdruckteil des Kreislaufs gehörenden
Arbeitsmittels vom Niederdruckin den Hochdruckteil von der Anlage selbst übernommen
wird, könnte bei allzu raschem Einlaß die ganze Nutzleistung aufgezehrt werden,
so daß die Drehzahl der Anlage so weit sinken könnte, daß sie sich nicht mehr von
selbst erholen würde und sie zum Stillstand käme. Dies wird. um so eher eintreten,
je kleiner das Druckniveau zu Beginn des Einlasses ist, da die zur Verfügung stehende
Leistung dann, kleiner ist. Noch empfindlicher in: dieser Hinsicht wird aber insbesondere
.die Anlage in jenen Fällen sein, wo. die Kreislaufverdichter ganz oder teilweise
von einer besonderen Turbine ohne mechanische Kupplung mit einer Nutzleistungsturbine
angetrieben werden. In diesem Fall steht nur eine reduzierte Leistung für die zusätzliche
Verdichtung d es eingeführten Arbeitsmittels, resultierend aus kleinerenVerschiebungen
derLeistungsverteilung auf die Turbinen bei vermindertem Druckverhältnis, zur Verfügung.
Es darf also dann insbesondere bei kleinem Druckniveau nur verhältnismäßig langsam
niederdruckseitig Arbeitsmittel eingelassen: werden.
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Das Verfahren gemäß der Erfindung vermeidet nun diesen-Nachteil dadurch,
daß zurVergrößerung der Leistungsabgabe, solange der Arbeitsmittelinlialt des Kreislaufs
einen festgelegten Bruchteil des Vollastinhaltes nicht unterschreitet, nur dem Niederdruckteil
:des Kreislaufes von außerhalb des Kreislaufs Arbeitsmittel zugeführt wird und daß,
wenn jener Bruchteil unterschritten wird, in den Hochdruckteil. des Kreislaufs eine
mindestens gleicheArbeitsmittelmenge wie in denNiederdruckteil in, der Zeiteinheit
von außerhalb :des Kreis Laufes eingeführt wird.
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Durch den gleichzeitigen Einlaß von Arbeitsmittel sowohl in den Niederdruck-
als auch den Hochdruckteil, sobald ein festgelegter Bruchteil des Vollastinhaltes
des Kreislaufs unterschritten wird, wird die von der Anlage selbst zusätzlich zu
leistende Verdichtungsarbeit vermindert oder sogar aufgehoben; ja es kann sogar
ein Leistungsüber-'schuß auftreten. Da aber der hochdruckseitige Einlaß nur bei
kleinerem Druckniveau im Kreislauf stattfindet, ist .es trotzdem nicht erforderlich,
einen Speicher höhen Druckes vorzusehen. Da auch während des Einlaßvorganges, der
Druck im Speicher sinkt und erst bei vollem Kreislauf seinen tiefsten Wert hat,
herrscht auch zu jener Zeit, wo der hochdruckseitige Einlaß in .den Kreislauf stattzufinden
hat, noch der relativ höchste Druck im Speicher.
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Auf diese Weise kann. also bei kleiner Last das Druckniveau beliebig
rasch gehoben werden. Einzig von :dem Augenblick an, wo nur noch niederdruckseitiger
Einlaß stattfindet, ist die sekundlich einzulassende Menge begrenzt. Berechnungen
haben aber gezeigt, daß das. Druckniveau trotzdem in nur wenigen Sekunden beispielsweise
von der Hälfte auf Vollastniveau .gebracht werden kann, ohne daß die Drehzahl !der
:den Kreislaufverdichter antreibenden Turbine dabei unzulässig sinken würde.
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Der :gleichzeitige Einlaß von Arbeitsmittel auf der Hoch- und Niederdruckseite
des Kreislaufs ist insbesondere zweckmäßig, wenn .der augenblickliche Arbeitsmittelinhalt
des Kreislaufs weniger als die Hälfte des Vollastinhaltes beträgt.
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Zur Verminderung er Leistungserzeugung wird Arbeitsmittel dem Kreislauf
entnommen. Es ist dabei zweckmäßig, dieses Arbeitsmittel in bekannter Weise an einer
Stelle hohen Druckes des Kreislaufes zu entnehmen, so daß für das Wiedereinführen
in den Speicher eine .geringe oder evtl. gar keine Verdichtungsleistung erforderlich
ist.
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Die Zeichnung zeigt in vereinfachter Darstellungsweise zwei beispielsweise
Ausführungsformen von Einrichtungen. zur Durchführung des Verfahrens( nach der Erfindung,
an Hand welcher auch das Verfahren beispielsweise erläutert wird.
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In Fig.i dieser Zeichnung bezeichnet i den Verdichter, 2 den Wärmeaustauscher,
3 den Erhitzer, q. eine den Verdichter i antreibende Hochdruckturbine, 5 eine einen
als Propeller 7 ausgebildeten Nutzleistun.gsempfänger antreibende Niederdruckturbine
und 6 :den Vorkühler einer Wärmekraftanlage, in welcher Luft als Arbeitsmittel einen
Kreislauf beschreibt. Die Umlaufsrichtung des Arbeitsmittels ist durch Pfeile angedeutet.
8 bezeichnet einen Arbeitsmittelspeicher, also im vorliegenden Falle einen Druckluftspeicher,
an den die Druckleitung 14 mit eingebauter Rückschlagklappe 141 eines von einem
Motor io angetriebenen Hilfsverdichters 9 angeschlossen ist. Der Speicher 8 steht
durch eine Leitung i i, in die ein Einlaßventil i il eingebaut ist, mit einer Stelle
112 des Arbeitsmittelkreislaufs in Verbindung, die zwischen dem Austritt der Turbine
5 und dem Eintritt des Verdichters i gelegen ist; es wird: dieser Teil des Arbeitsmitlelkreislaufs
im vorliegenden Zusammenhange Niederdruckteil des Kreislaufs genannt, im Gegensatz
zum Hochdruckteil des Kreislaufes, der zwischen dem Austritt :des Verdichters i
und
dem Eintritt der Hochdruckturbine 4 gelegen ist. 13 bezeichnet die Saugleitung des
Hilfsverdichters g, in die ein Auslaßventil 131 eingebaut ist. Diese Leitung
13 ist an der Stelle 122 an :den Hochdruckteil des Kreislaufs angeschlossen. Durch
eine Leitung 17, in die ein Einlaßventil 12 und eine Rückschlagklappe 15 eingebaut
sind, läßt sich eine Verbindung zwischen den Leitungen T i und 13 herstellen. Schließlich
bezeichnet 16 einen der den Verdichter i antreibenden Turbine 4 zugeordneten Drehzahlregler,
der mit demVentil 12 inWirkungsverbindung steht.
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Liegt nun der Arbeitsmittelinhalt des Kreislaufs in der in Fig. i
gezeigten Wärmekraftanlage z. B. unter einem festgelegten Bruchteil des Vollastinhaltes
und ist ;die erzeugte Leistung zu steigern, so wird durch gleichzeitige Öffnung
der Ventile i 11 und 12 Arbeitsmittel sowohl an der Stelle 112 in den Niederdruckteil
als auch an der Stelle 122 in den Hochdruckteil des Kreislaufs eingelassen. Das
für hochdruckseitigen Einlaß bestimmte Ventil 12 wird im gezeigten-Falle durch den
Drehzahlregler16 der den Verdichter i antreibenden Turbine 4 in öffnendem Sinne
beeinflußt, wenn die Drehzahl unter einen gewissen Grenzbetrag sinkt. Das Rückschlagventil,
15 verhindert den Auslaß von Arbeitsmittel aus dem Kreislauf, falls bei zu niedrigem
Druck im Speicher 8 das Einlaßventil 12 geöffnet würde.
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Für die hochdruckseitig und n.iederdruckseitig in der Zeiteinheit
einzulassenden Arbeitsmittelmengen kann auch durch in den entsprechenden Zuleitungen,
angeordnete Drosselstellen ein festes Verhältnis festgelegt werden. Das Gleichgewicht
der Verdichtergruppe wird dann am wenigsten gestört, wenn die in der Zeiteinheit
in den Hochdruckteil einströmende Menge zu der in den Niederdruckteil einströmenden
Menge im gleichen Verhältnis zueinander stehen wie die bei Vollast im Hochdruckteil
und, im Niederdruckteil enthaltenen Arbeitsmittelmengen.
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Eine beispielsweise Ausführungsform letzterer Art zeigt Fig.2. In
dieser Figur bezeichnen 18 und i9 zwei Drosselstellen und 2o ein Einlaßventil. Durch
die Drosselstellen i8 und i9 wird, falls die augenblickliche Leistungsabgabe zu
steigern ist, ein ungefähr festes Verhältnis zwischen den in der Zeiteinheit niederdruckseitig
und hochdruckseitig in den Kreislauf gelangenden Mengen festgelegt. Einzig wenn
der Druck im Speicher 24 nahezu auf den Druck des Kreislaufs hochdruckseitig sinkt,
wird dieses Verhältnis wesentlich, gestört. Sind diese beiden Drücke gleich, was
dann der Fall sein wird, wenn der Arbeitsmittelinhalt im Kreislauf einen gewissen
Bruchteil des Vollastinhaltes erreicht hat, so findet kein hochdruckseitiges Einströmen
mehr statt. Bei weiterem Steigen des Kreislaufdruckes und Sinken des Speicherdruckes
verhindert die Rückschlag-klappe 21 ein Zurückströmen von Arbeitsmittel aus dem
hocdruckseitigen Teil der Anlage in: den Speichen 24. Ein Einlaß findet nur noch
niederdruckseitig statt. In diesem Druckbereich, w o nur niederdruckseitig Arbeitsmittel
in den Kreislauf eingelassen wird, ist eine Begrenzung der in der Zeiteinheit eingelassenen
Menge zur Vermeidung unzulässiger Drehzahlsenkung der Verdichtergruppeerforderlich.
Eine solche Begrenzung kann. von Hand durch entsprechende Betätigung des Einlaßventils
20 unter Beobachtung der Drehzahl der Turbine 26 erfolgen; sie kann aber
auch dadurch geschehen, daß der Drehzahlregler 25 der den Verdichter 22 antreibenden
Turbine 26 das einen Einlaß von Arbeitsmittel in den N iederdruckteil des Kreislaufs
gestattende Ventil 2o in schließendem. Sinne beeinflußt, wenn die Drehzahl dieser
Turbine unter einen festen Grenzbetrag sinkt.